LLC 공진형 컨버터와 Buck, Boost, Buck-Boost 컨버터 비교 및 Boost LLC 컨버터와 전압 조절 방식 정리

 

1. LLC 공진형 컨버터와 Buck, Boost, Buck-Boost 컨버터 비교

1.1 동작 원리 비교

특징	LLC 공진형 컨버터	Buck 컨버터	Boost 컨버터	Buck-boost 컨버터
기본 동작	공진 회로와 스위칭을 통해 전력을 변환, ZVS/ZCS 가능	입력 전압을 낮춰 출력 전압 생성	입력 전압을 높여 출력 전압 생성	입력 전압보다 낮거나 높은 출력 전압 생성
회로 구성	공진 커패시터와 공진 인덕터, 변압기 포함	스위칭 소자, 인덕터, 다이오드	스위칭 소자, 인덕터, 다이오드	스위칭 소자, 인덕터, 다이오드
전압 변환 범위	변압기를 통해 폭넓은 전압 변환 가능	출력 전압은 입력 전압보다 항상 낮음	출력 전압은 입력 전압보다 항상 높음	출력 전압은 입력 전압보다 낮거나 높음
스위칭 방식	고주파 공진 스위칭, 소프트 스위칭 구현(ZVS/ZCS)	하드 스위칭	하드 스위칭	하드 스위칭

1.2 장단점 비교

특징	LLC 공진형 컨버터	Buck 컨버터	Boost 컨버터	Buck-boost 컨버터
장점	- 효율이 높음 (ZVS/ZCS로 스위칭 손실 감소)	- 설계와 제어가 간단	- 높은 출력 전압 가능	- 양방향 전압 변환 가능
	- 변압기로 절연 가능	- 부품 수 적음	- 부품 수 적음	- 부품 수 적음
	- 고전력 애플리케이션에 적합	- 작은 출력 전압 리플
단점	- 설계가 복잡 (공진 회로 설계)	- 출력 전압 제한	- 입력 전압이 낮으면 효율 저하	- 출력 전압 반전 가능
	- 부품 수 많고 비용 높음			- 출력 전압 리플이 비교적 큼

1.3 응용 분야 비교

컨버터 유형	주요 응용 분야
LLC 공진형 컨버터	- 서버 전원 공급 장치
	- 고효율 데이터 센터 전원
	- 고전력 가전제품 (TV, 에어컨)
	- 자동차 전자 장치
Buck 컨버터	- 마이크로프로세서 전원 공급
	- 소형 DC-DC 전원 변환
	- 배터리 충전기
Boost 컨버터	- LED 드라이버
	- 태양광 모듈의 전압 상승
	- 배터리 기반 전압 상승 회로
Buck-Boost 컨버터	- 휴대용 기기 (배터리 구동)
	- 자동차 전자 기기 (LED 조명, 전력 시스템)

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2. Boost LLC 컨버터

2.1 Boost LLC 컨버터의 정의

• Boost LLC는 Boost 컨버터와 LLC 공진형 컨버터를 결합한 구조로, 낮은 입력 전압에서도 효율적으로 작동하도록 설계된 전력 변환기입니다.
• Boost 단계에서 전압을 상승시킨 뒤 LLC 공진형 컨버터를 통해 출력 전압을 조절.

2.2 사용 사례

• 태양광 인버터: 태양광 패널의 출력 전압 변동을 보정.
• 전기차 충전기(EV Charger): 배터리 기반 전원에서 입력 전압 변동 보정.
• 배터리 전원 시스템: 낮은 배터리 전압을 상승시켜 고효율 전력 변환 수행.
• 고전압 출력 요구 시스템: 의료 기기, 데이터 센터 전원 등.

2.3 장단점

특징	장점	단점
Boost LLC	- 입력 전압 범위 확장 가능	- 설계 복잡성과 비용 증가
	- 높은 효율 (Boost와 LLC 조합)	- Boost 단계의 추가 스위칭 손실 가능성
	- 유연한 설계 가능	- 제어 알고리즘 복잡성 증가

 

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3. 전압 조절 방식: 작동 방식, 장단점, 설계 선택 기준

3.1 작동 방식에 따른 장단점

3.1.1 Boost 컨버터의 듀티 비 제어

• 작동 방식:
  • 입력 전압 변동에 따라 Boost 컨버터의 듀티 비를 조정하여 LLC 컨버터로 전달되는 입력 전압을 일정하게 유지.
  • Boost 컨버터는 다음 식으로 동작:
    $$Vout=Vin1−DV_{out} = \frac{V_{in}}{1 - D}$$ (여기서 DD는 듀티 비.)
• 장점:
  • LLC 컨버터 입력 전압이 일정하므로 LLC 공진 컨버터를 최적 주파수에서 고정 동작 가능.
  • 제어 알고리즘이 상대적으로 단순하며 안정적.
  • Boost 컨버터만 동작하므로 LLC 컨버터 설계 부담 감소.
• 단점:
  • Boost 컨버터의 추가 스위칭 소자와 회로로 인해 시스템 효율이 약간 감소.
  • 높은 듀티 비에서 스위칭 손실이 증가할 가능성.

3.1.2 LLC 컨버터의 주파수 제어

• 작동 방식:
  • LLC 컨버터의 스위칭 주파수를 조정하여 입력 전압 변동을 보상.
  • 스위칭 주파수 FF는 LLC 공진 주파수 FrF_r와의 관계로 출력 게인을 조절:
    $$ Gain=f(F/Fr,Qe,Ln)Gain = f(F/F_r, Q_e, L_n) $$
• 장점:
  • Boost 단계가 필요 없으므로 전체 시스템이 단순화되고 부품 수 감소.
  • 입력 전압 변동이 크지 않은 경우에도 효율적으로 작동 가능.
• 단점:
  • 입력 전압 변동 폭이 크면 주파수 범위가 넓어지고 LLC 컨버터의 효율이 저하될 수 있음.
  • 설계 및 제어 복잡성이 증가.

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1.3 Boost와 LLC 컨버터의 조합 제어

• 작동 방식:
  • Boost 컨버터가 입력 전압을 대략적으로 보정한 후, LLC 컨버터가 세밀한 출력 전압 조정을 수행.
  • Boost 컨버터는 입력 전압을 일정 범위로 유지하고, LLC 컨버터는 주파수 제어로 잔여 보정 수행.
• 장점:
  • 입력 전압 변동 폭이 매우 큰 경우에도 효과적으로 대응 가능.
  • Boost 컨버터와 LLC 컨버터 각각의 장점을 결합하여 효율적인 동작 구현.
  • 시스템 설계가 유연하며 다양한 애플리케이션에 적합.
• 단점:
  • 두 컨버터의 상호작용 제어가 필요하므로 설계와 제어 알고리즘 복잡성 증가.
  • 비용 증가(Boost 단계 추가로 인해 부품 수 증가).

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3.2. 설계 선택 기준

조건	선택방법
입력 전압 변동이 작음	- LLC 컨버터의 주파수 제어만으로 충분히 대응 가능.
입력 전압 변동이 큼 (중간 수준)	- Boost 컨버터로 입력 전압을 일정하게 유지하는 듀티 비 제어.
입력 전압 변동이 매우 큼	- Boost와 LLC 컨버터의 조합 제어 사용: Boost는 입력 전압 범위를 좁히고, LLC는 세부 조정 수행.
최대 효율이 중요함	- LLC 컨버터는 항상 고정된 최적 주파수에서 동작하도록 Boost 컨버터의 듀티 비 제어를 채택.
설계 단순화가 필요함	- Boost 단계를 제거하고 LLC 컨버터의 주파수 제어만 사용.
부품 비용 최소화	- LLC 컨버터에만 집중하여 Boost 단계를 제거.

 

4. 결론

• LLC 공진형 컨버터는 고효율, 고전력 애플리케이션에 적합하며, Boost 컨버터와 결합하면 입력 전압 변동성이 큰 시스템에서 더 효과적.
• 전압 조절 방식은 애플리케이션 요구사항에 따라 Boost 단계의 듀티 비 제어, LLC 컨버터의 주파수 제어, 또는 조합 제어 중에서 선택.